549_Sovremennye_problemy_telekommunikatsij_

Поляризационная модовая дисперсия ПМД определяется методом наименьших квадратов величин, для различных длин волн. Оба метода JME и PS требуют проведения полных измерений состояний поляризации, как на выходе системы, так и на входе. Три стоксовых параметра измеряются как функции частоты света.

Наряду с этим широко используется метод анализа ПМД: метод волнового сканирования

WSFA (Wavelength-Scanning Fixed Analyzer) и интерферометрический метод IM (Interferometric Methods). В этих методах измеряется проекция состояния поляризации SOP вдоль одной оси, которая является характеристикой измерительного прибора для быстрого определения ПМД. Однако при измерении часть информации теряется, так как проекция SOP на другие оси не вычисляется. Это довольно сильный недостаток методов при исследовании очень малых значений ПМД (<50 фс) – на этих масштабах времен в исследуемой среде проявляются взаимные и случайные связывания мод. С другой стороны методы IM значительно менее чувствительны к вибрации, возникающей при измерении ПМД в полевых условия.

3. Для чего нужно измерять поляризационно-модовую дисперсию?

Во-первых: это контроль ПМД в процессе изготовления волокна[2].

Впроцессе вытяжки волокна контроль ПМД считается обязательным. С одной стороны таким образом можно подстраивать и оптимизировать режимы вытяжки волокна. С другой стороны требуется выходной контроль с занесением данных о коэффициенте ПМД в паспорт волокна.

Во-вторых: контроль ПМД в процессе эксплуатации ВОСП.

После прокладки кабеля многие параметры, в том числе и ПМД, могут по ряду причин (деформации волокна, температурные изменения, натяжение и т.д.) испытывать отклонения от паспортных данных. Это требует проведения измерения ПМД волокон после развернутой волоконно-оптической кабельной системы. Также в процессе эксплуатации следует проводить регулярные проверки параметра ПМД. Для сложных линий с большим числом последовательных сегментов волоконно-оптических кабелей следует проводить тестирование ПМД и отдельных сегментов. Исследуем на простом примере соотношение (4). Пусть линия состоит из девяти сегментов, восемь из которых имеет ПМД =0,2 и один ПМД =2,0. Результирующая ПМД такой линии равна 2,078. Если же все девять сегментов имеют ПМД =0,2, то результирующая ПМД будет равна 0,6. Это означает, что все сегменты должны тестироваться, чтобы исключить возможность резкого влияния низких характеристик одного сегмента на линию в целом.

При тестировании волокно ВОК целесообразно выделять волокна на сегментах с лучшими характеристиками по ПМД под транспорт магистральных данных (имеющих более высокую скорость передачи и большой протяженности), оставив под низкоскоростные локальные приложения волокна с худшими характеристиками.

Ив-третьих: контроль ПМД с целью предсказания появления возможных неисправностей.

Внастоящий момент в стадии разработки находятся методики регулярного тестирования ПМД волокон с целью выявления потенциальных неисправностей в линии связи. Например, предшествовать разрыву кабеля могут сильные продольные деформации, которые можно регистрировать тестером ПМД.

381

4. Метод сферы Пуанкаре

Метод PS[3] основан на следующем поведении ПМД: при фиксированном значении SOP на входе тестируемого волокна, значение SOP на выходе из волокна (будем обозначать его

вектором ) является функцией частоты излучения и подчиняется дифференциальному уравнению

Пуанкаре, соответствующий главному состоянию поляризации PSP исследуемого волокна, - дифференциальная групповая задержка. Фактически при изменении частоты

вращение. В первом порядке (), вектор не зависит от частоты и совпадает по направлению с . Это соответствует определению главного состояния поляризации.

Концептуальная установка исследования ПМД методом PS показана на рис 4. Три параметра Стокса s1, s2 и s3, которые представляют SOP на сфере Пуанкаре измеряются как функции частоты излучения при помощи перестраиваемого DFB лазера и поляриметра. По

траектории прецессии вектора определяется вектор его угловой скорости вращения - вектор поляризационной дисперсии и его абсолютное значение - дифференциальная групповая задержка.

Рис.1. Схема метода измерения ПМД на основе сферы Пуанкаре

5. Метод сканирования длин волн (WSFA)

В этом методе по отношению к предыдущему методу перестраиваемый лазер и измеритель мощности оптического излучения заменены на комбинацию широкополосного оптического источника излучения и оптического спектрального анализатора OSA (Optical Spectrum Analyzer)[4]. Свет от источника поступает на вход тестируемого волокна, затем на анализатор-поляризатор и затем на OSA, рис. 5. Таким образом измеряется проекция

вектора только на одно направление (например s1) как функция частоты излучения. В методе WSFA производится аналогичное измерение как и в методе PS, за одним исключением – определяется только один из трех параметров Стокса.

Далее для определения значение ПМД (или DGD) измеряется средний период наблюдаемых модуляций интенсивности s1() (в ГГц) – считается число экстремумов функции s1() в спектральной области широкополосного источника излучения.

382

Альтернативный способ определения ПМД по функции s1() основывается на взятии преобразования Фурье от s1( ). Фактически этот второй способ идентичен прямому временному измерению реализованному в интерферометрическом методе.

Рис.2. Схема метода волнового сканирования

6. Интерферометрический метод

В это методе[5] в исследуемое волокно подается сигнал от широкополосного источника излучения за которым идет поляризатор или от светодиода, излучающего свет определенной линейной поляризации. Сигнал, переданный через тестируемое волокно анализируется посредством интерферометра Майкельсона.

Рис.3. Схема интерферометрического метода

Широкополосный источник или светодиод выбирается таким образом, чтобы центральная длина волны подходила для измерения современных систем DWDM (1550 нм), а время когерентности источника было намного меньше задержки ПМД тестируемого волокна. В интерферометрическом методе определяют время автокорреляции сигнала источника с этим же сигналом, задержанным переменным плечом интерферометра (подвижным зеркалом), получая значение ПМД (DGD) непосредственно на графике. Предполагается, что спектр источника имеет приблизительно гауссову форму без заметной ряби. Выполнение этого условия проверяется при помощи анализатора OSA на этапе выбора источника.

383

При помощи этого метода осуществляется быстрое измерение ПМД, так что контроль и стабилизация температуры не требуются. Метод дает возможность измерять значения ПМД выше 0,1 пс.

ПМД можно вычислить из получившейся интерферограммы двумя способами. Первый способ зависит от степени связывания мод в тестируемом волокне. Если эта связь пренебрежимо мала, то на интерферограмме наблюдают сильный центральный пик (автокорреляция источника) и два соседних, симметрично расположенных пика-спутника, удаленных от центрального на величину групповой задержки в волокне. Таким образом, значение ПМД определяется этим смещением (или половиной полного расстояния между пиками-спутниками).

Заключение

В данной статье дано кратко описаны методы измерения ПМД, которые возникает в волоконно-оптических линиях связи. В мире ведутся серьезные исследования вопросов компенсации ПМД. Применительно к системам DWDM, возникает задача компенсации ПМД не одной заданной длины волны, а сложного многоволнового сигнала, занимающего спектр в несколько десятков нанометров.

Литература

1.Гладышевский М.А., Щербаткин Д.Д. Поляризационная модовая дисперсия в оптическом волокне. “ Lightwave ”, 2005г., №1, с.48-51.

2.Derickson D., “Fiber Optic Test and Measurement”, Prentice Hall, 1998, pp. 642

3. .Lightwave Test and Measurements Reference Guide, Каталог компании EXFO, 2001, pp.186-192.

4.Kim J., Buerli R., “An evaluation of polarization-dependent loss-characterization methods”,

Lightwave, Vol.17, No.9, August 2000, p.156-162.

5.Ramaswami R., Sivarajan K., “Optical Networks: A Practical Perspective”, Morgan Kaufmann Publishers, 1998, pp. 632

Усынин Иван Александрович

магистрант Кафедры линий связи СибГУТИ (630102, Новосибирск, ул. Кирова, 86)

тел. 8-913-893-18-69, e-mail: usbaho@mail.ru

Methods for measuring polarization mode dispersion

I. Usynin

Keywords: PMD measurement methods

In this paper briefly describes the methods for measuring and monitoring the need for mine action in fiber-optic media

384

Рис. 2- Структура видов дисперсии в ОВ [1]

2. Поляризационная модовая дисперсия

Модовая (межмодовая) дисперсия – это дисперсия, существующая только в многомодовом световоде и вызванная различной скоростью распространения в световоде лучей разных мод, достигающих выхода в разное время, что приводит к уширению импульса на выходе.

Чем меньше значение дисперсии, тем больший поток информации можно передать по волокну. Чем меньше диаметр сердцевины ОВ, тем меньшее число мод может распространяться по нему и, тем меньшее расширение получают оптические импульсы. Соответственно, увеличивается широкополосность ОВ.

Многомодовый или одномодовый характер идущего по волокну света коренным образом влияет на дисперсию, а следовательно, и на пропускную способность волокна. Одномодовое ОВ может передавать более широкополосные сигналы, чем многомодовое ОВ, так как в нѐм отсутствует модовая дисперсия.

Модовая дисперсия может быть уменьшена тремя путями:

изменением профиля показателя преломления, то есть использованием градиентного ВС;

уменьшением диаметра сердцевины dc;

подавлением мод высшего порядка.

Поляризационная модовая дисперсия τпол возникает вследствие различной скорости распространения двух взаимно перпендикулярных поляризационных составляющих моды.

Водномодовом волокне в действительности может распространяться не одна мода, а две фундаментальные моды – две перпендикулярные поляризации исходного сигнала. Главная причина появления поляризационной моды является нециркулярность (овальность) профиля сердцевины одномодового волокна, возникающая в процессе изготовления или эксплуатации волокна. При изготовлении волокна только строгий контроль позволяет достичь низких значений этого параметра.

Видеальном волокне, в котором отсутствует овальность, две моды распространялись бы

содной и той же скоростью (рисунок 3, а).

Однако, на практике, волокна имеют неидеальную геометрию, что приводит к различной скорости распространения двух поляризационных составляющих мод (рисунок 3, б).

386

Рис. 3 – Появление поляризационной модовой дисперсии [2] а – волокно с идеальной геометрией; б – волокно с неидеальной геометрией.

растѐт с ростом расстояния по закону:

(2)

где l – длина волокна, [км];

Т – коэффициент удельной поляризационной дисперсии.

Поляризационная модовая дисперсия – это основной механизм, с помощью которого все дефекты волокна проявляются на характеристиках системы передачи.

В любой точке волокна импульс поляризованного оптического излучения можно разложить на поляризационные составляющие с двумя взаимно ортогональными состояниями поляризации, направленными вдоль двух локально ортогональных осей волокна, так называемых, быстрой и медленной осей. Отметим, что эти оси не обязательно соответствуют состоянию линейной поляризации. На практике, в уложенном в кабель волокне направление этих осей и относительная разность скоростей распространения по каждой оси (непосредственно зависящих от величины локального двулучепреломления) изменяются вдоль оптического пути. Для идеализированной модели явление PMD можно представить так, что различные участки волокна имеют постоянные, но различные на каждом участке направления осей двулучепреломления. (Локальное изменение ориентации главных осей двулучепреломления волокна известно как явление связи мод.) На каждом участке волокна возникнет временная задержка между компонентами оптического сигнала, разложенного по быстрой и медленной осям. Из-за того, что направление осей двулучепреломления соседних участков волокна меняется случайным образом, форма и границы оптического импульса претерпевают статистическое временное расплывание.

Для каждой выделенной длины волны излучения можно подобрать такую ориентацию плоскости поляризации оптического импульса на входе, что импульс при прохождении волокна не будет испытывать никакого расплывания (по крайней мере, на достаточно коротком интервале времени измерения, когда можно пренебречь изменениями внешних факторов).

Действительно, существуют два взаимно ортогональных состояния поляризации, называемые основными состояниями поляризации PSP (Principal State of Polarization). Одно из них соответствует самому быстрому, а другое самому медленному времени распространения импульса по волокну. Разница времен распространения называется дифференциальной групповой задержкой DGD (Differential Group Delay), соответствующей данной длине волны. Величина задержки PMD определяется как значение DGD усредненное

по длинам волн, рисунок 4.

Рисунок 4. Значение величины DGD, усредненное по рабочему диапазону длин волн, определяет значение PMD для волокна [4]

387